JP2013541012A - 光音響センサー - Google Patents

Abstract

光音響ガスセンサー、システム、および方法の概要が説明されている。いくつかの例において、光音響ガスセンサーは、格子と波長選択性光変調器として動作するＭＥＭＳ反射鏡アレイ、およびガス試料領域の周りに配置構成された音響センサーのリング状アレイの組み合わせを備える。ＭＥＭＳベースの光変調器は、柔軟な波長選択性を備え多数の化合物を検出できるように適合されうる。音響センサーのリング状アレイは、ガスセンサーの光音響セルの共鳴増強を必要とすることなく光音響的に生成される音響信号を測定するように適合されうる。いくつかの例において、固有の無相関の決定論的信号を使用して、注目するそれぞれの光波長を変調することができる。信号処理を使用することで、複数の光波長の吸収スペクトルの同時測定だけでなく、望ましくない音響ノイズを除去することができる。

Description

本開示は、一般的にセンサー技術に関するものであり、より具体的には、光音響センサー（ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ）に関するものである。

本明細書において別段の指示のない限り、この節で説明するアプローチは、本出願の請求項に対する従来技術ではなく、またこの節に含めることによって従来技術であると認められることはない。

ガス検出デバイスは、１つまたは複数の種類のガスの存在を検出する多くの用途で使用されており、典型的には、人間または動物に有害である恐れのあるガスを監視するように設計されたシステムの一部を構成する。例えば、ガス検出器は、可燃性ガス、有毒ガス、酸素、ＣＯ_２、揮発性有機化合物、および同様の物質の存在および／または濃度を監視するために使用されることが多い。このようなガス検出デバイスの１つに、光音響ガスセンサーがある。

光音響ガスセンサーは、ガスによって吸収される入射光の異なる波長の光吸収を、音響的手段を介して測定するデバイスである。振幅変調光源が試験用のガスによって吸収されると、ガスは発熱と冷却を繰り返し、光源の振幅およびガスの電力吸収係数に比例する音響エネルギーを発生する。この方法で異なる波長の光の吸収を測定することによって、ガスの光吸収スペクトルを生成し、標準吸光光度法を使用してガスを同定する。吸収を光学的に測定し、感度に制限のある、他の分光システムとは異なり、光音響システムは、完全に異なる方法で試料によって吸収される光エネルギーを測定し、かなり高い感度も実現できる。１０億分の１（ＰＰＢ）範囲で、さらには１兆分の１（ＰＰＴ）範囲内で測定することができるいくつかの光音響測定システムが利用可能である。

本開示の一実施形態は、一般的に、光音響センサーに関係しうる。光音響センサーは、入力光線を変調し、試料領域に向けられた変調光を生成するように構成された光変調器と、試料領域の周りに配設され、それぞれが試料領域から実質的に等距離のところにある音響センサーのアレイであって、音響センサーのそれぞれが試料領域内で検出された音響エネルギーに応じて信号を発生するように適合されている、音響センサーのアレイと、音響センサーに結合され、音響センサーによって生成された信号に基づき試料領域内に存在する１つまたは複数の種類のガスを検出するように構成されたコントローラとを備えることができる。

本開示の別の実施形態は、一般的に、試料中の１つまたは複数の種類のガスを検出する方法に関係しうる。この方法は、入力光線を変調して変調光を生成することと、変調光を試料を含む領域内に導くことと、領域の周りに該領域から実質的に等距離のところに配設されている複数の音響センサーから音響信号を収集することと、収集された音響信号を評価して試料中に存在する１つまたは複数の種類のガスを検出することとを含み、これらの音響信号は、変調光と領域内に配置されている１つまたは複数の種類のガスの少なくとも一部との相互作用の結果生じる。

本開示のさらに別の実施形態は、一般的に、光音響センサーの試料領域内に配置されている試料から１つまたは複数の種類のガスを検出するように適合された光音響センサーに関係しうる。光音響センサーは、入力光線をいくつかの波長成分に分離するように構成された格子と、波長成分を変調して、試料領域に対する変調光成分を生成するように構成されたＭＥＭＳ反射鏡アレイと、変調光成分が通過する試料領域の近くに配設され、試料領域内で検出された音響信号に応じて電気信号を発生するように適合された音響センサーと、音響センサーに結合され、音響センサーによって生成された電気信号に基づき試料領域内に存在する１つまたは複数の種類のガスの少なくとも一部を検出するように構成されたコントローラとを備えることができる。

前述の説明は、例示的なものにすぎず、一切制限することを意図されていない。上述の例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、図面を参照し、以下の詳細な説明を参照することによってさらなる態様、実施形態、および特徴も明らかになるであろう。

本開示の前記の特徴および他の特徴は、添付の図面を参照することで、以下の説明および付属の請求項からより完全に明らかになるであろう。これらの図面は、本開示によるいくつかの実施形態のみを示しており、したがって、これらの図面は、本発明の範囲を制限すると見なすべきでない。本開示は、添付図面を使用することでさらに具体的に、また詳細に説明される。

本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成される、光音響ガスセンサーのブロック図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成される、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの光変調器の一構成の概略図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成される、ＭＥＭＳベースの光変調器の別の構成の概略図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成される、広帯域光源の代わりに１つまたは複数の狭帯域光源を有するＭＥＭＳベースの光変調器の概略図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成される、広帯域光源、分散素子、およびＭＥＭＳ反射鏡アレイの代わりに変調狭帯域光源のアレイを有する狭帯域光源の一構成の概略図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成される、試料領域の周りに配設された音響センサーの一構成の概略図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成される、光音響ガス検出の方法を要約した流れ図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成される、試料中の１つまたは複数の種類のガスを検出するように配置構成された例示的なコンピューティングデバイスを示すブロック図である。

以下の詳細な説明では、詳細な説明の一部をなす、添付図面が参照される。図面中の類似の記号は、典型的には、文脈上別のものを示していない限り類似のコンポーネントを明示する。詳細な説明、図面、および請求項で説明されている例示的な実施形態は、制限することを意図されていない。他の実施形態も利用することができ、また本明細書に提示されている発明対象の精神または範囲から逸脱することなく、他の変更を加えることができる。本明細書で一般的に説明され、また図に例示されているような本開示の態様は、さまざまな異なる構成による配置、置換、組み合わせ、設計が可能であり、すべて明示的に考察され、本開示の一部をなすことが容易に理解されよう。

本開示は、とりわけ、ガス検出デバイスの分野に関係する、およびいくつかの例において、空気品質マイクロセンサーに関係する方法、装置、およびシステムに関する。

本開示は、従来の光音響システムを企図するものであり、そのようなシステムが高価なチューナブルレーザーおよび可動光学コンポーネントに依存しており、したがって携帯しにくいこと、外部のノイズおよび振動に敏感であること、限られた数の化合物しか検出できないこと、および／または扱いにくいサイズであることを含む、著しい制限を有していることを明らかにする。本開示は、本明細書で説明されているような光音響センサーのさらなる改善について述べる。本開示のいくつかの実施形態では、光音響ガス検出のための装置、つまり、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの光変調器と音響センサーのリング状アレイとを組み合わせた光音響ガスセンサーを企図する。ＭＥＭＳベースの光変調器は、多数の化合物の検出を可能にしうる柔軟な波長選択性を備えることができ、音響センサーのリング状アレイは、ガスセンサーの光音響セルの共鳴増強を必要とすることなく光音響的に生成される音響信号を測定することができる。いくつかの実施形態では、固有の無相関の決定論的信号（a unique, uncorrelated and deterministic signal）を使用して、注目するそれぞれの光波長を変調することができる。このような実施形態では、高度な信号処理を使用することができ、これにより、複数の光波長の吸収スペクトルの同時測定だけでなく、音響センサーのリング状アレイによって検出されうる望ましくないノイズを除去することができる。

本開示のいくつかの実施形態では、複数の音響センサーを光音響検出器の試料領域の近くのアレイ内に配設することができる光音響ガス検出の方法について説明する。アレイ内のそれぞれの音響センサーは、試料領域から等距離のところに配置構成することができる。広帯域光源は、１つまたは複数の構成要素となる波長成分に分離することができ、波長成分はそれぞれ、変調され、ガス試料を照射するように適合されうる。音響センサーのアレイは、音響センサーのそれぞれによって感知された音響信号をコヒーレントに加算することによって出力信号を生成するように適合されうる。１つまたは複数の実施形態において、波長成分はそれぞれ、固有の無相関の決定論的変調信号によって変調され、音響センサーの出力は、例えば、高速アダマール変換（ＨＦＴ）により、ＨＦＴの基底関数として変調信号を使用して、デジタル信号化され、処理されうる。このような実施形態では、ガス試料による複数の光波長の吸収スペクトルを同時に決定することができる。

図１は、本開示の少なくともいくつかの実施形態により配置構成された光音響ガスセンサー１００のブロック図である。光音響ガスセンサー１００は、広帯域光源１１０と、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０と、試料領域１３５の周りに配設されている音響センサー１３１のリング状アレイ１３０と、マイクロコントローラ１４０とを備えることができる。いくつかの実施形態では、光音響ガスセンサー１００は、ユーザと通信できるように適合されたネットワークインターフェース１５０をさらに備えることができる。

広帯域光源１１０は、白熱灯、ハロゲンランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはＭＥＭＳベースの光変調器１２０への広帯域光源となるように適合された他の光源などの、広帯域赤外線（ＩＲ）、可視光線、または紫外線（ＵＶ）の光源とすることができる。広帯域光源１１０は、コリメーティングレンズ、鏡などのさまざまな光学的手段を使用して広帯域光１１１をＭＥＭＳベースの光変調器１２０に導くように構成されうる。いくつかの例において、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０は、回折格子およびＭＥＭＳ光変調器を備えることができ、これらはそれぞれ、図２Ａおよび図２Ｂと併せて以下でさらに詳しく説明する。いくつかの他の例において、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０は、複数の入力光線の振幅を独立して変調するように構成できる光変調器の他のアレイとすることができる。リング状アレイ１３０は、試料領域１３５の周りに位置決めすることができ、光出力１１２が試料領域１３５に向けられるようにＭＥＭＳベースの光変調器１２０の光出力１１２と位置を合わせることができる。音響センサー１３１は、音響トランスデューサまたは他の何らかの種類の音響センサーとすることができる。試料領域１３５は、光音響ガスセンサー１００による分析のため所望のガス試料を収容するように構成されたキャビティである。いくつかの実施形態では、試料領域１３５は、光音響ガスセンサー１００の自由空気動作を円滑にするように周囲環境に対して開放されているものとしてよい。他のいくつかの実施形態では、試料領域１３５は、試料ガスをポンプで送り込める、音響セルなどの、閉鎖サンプリングセルであってもよい。マイクロコントローラ１４０は、Ａ／Ｄコンバータ１４を備えることができる。マイクロコントローラ１４０は、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０に変調信号を送るように構成され、また、音響センサー１３１から信号を受信し、デジタル信号化し、後処理するように適合することも可能である。いくつかの例において、Ａ／Ｄコンバータ１４１は、マイクロコントローラ１４０に外付けされてもよいが、いくつかの他の例では、マイクロコントローラ１４０に内蔵されてもよい。マイクロコントローラ１４０は、限定はしないが、マイクロプロセッサおよびデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの汎用プロセッサ、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの専用プロセッサを含む、適切なプロセッサとすることができる。

光音響ガスセンサー１００は、１つまたは複数の化合物の同時検出を円滑に行えるようにする方法で音響手段を通じてガス試料の光吸収を測定するように適合される。いくつかの実施形態では、光音響ガスセンサー１００は、「化学的なアジリティを有する」、つまり、光音響ガスセンサー１００は、ハードウェア構成への変更を一切必要とすることなく異なる化合物を監視できるように再プログラムすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、光音響ガスセンサー１００によってテストされるガス試料によって生成される光音響信号は、吸収される光のそれぞれの波長に対して固有変調信号を使用して生成され、ガス試料による複数の光波長の吸収スペクトルを同時に決定することを可能にしうる信号処理を施されうる。このような変調信号および信号処理は、図２Ａおよび図２Ｂと併せて以下でさらに詳しく説明される。

光音響ガスセンサー１００が動作しているときに、集束レンズ、鏡などの光学的手段を使用することで、広帯域光１１１が必要に応じてＭＥＭＳベースの光変調器１２０に入るように、広帯域光源１１０から広帯域光１１１がＭＥＭＳベースの光変調器１２０へ導かれる。ＭＥＭＳベースの光変調器１２０は、広帯域光１１１を受け取って、複数の波長成分に分離するように適合され、１つまたは複数の所望の波長成分の２値振幅変調、つまり、オン／オフ変調を選択的に実行することができる。ＭＥＭＳベースの光変調器１２０によって分離される広帯域光１１１の所望の波長成分の数は、構成される光音響ガスセンサー１００が検出する化合物の数および種類に応じて、数十個、数百個、さらには数千個にもなりうる。広帯域光１１１は、そのような多数の波長成分に分離されうるが、それは、ＭＥＭＳベースの光スイッチ１２０が、広帯域光１１１をいくつかの波長成分に空間的に分離するように構成された回折格子、および所望の１つまたは複数の波長成分の２値変調を選択的に実行するように構成されたＭＥＭＳ反射鏡アレイを備えうるからである。ＭＥＭＳベースの光変調器１２０は、変調光線１１２を出力し、次いで、これは試料領域１３５内に配設されたガス試料を通過しうる。異なる波長の光は、ガス試料を構成する１つまたは複数の種類のガスによって吸収され、光音響効果により、ガス試料によって音波１３３が発生しうる。リング状アレイ１３０の音響センサー１３１は、音波１３３を感知して、信号処理のためマイクロコントローラ１４０に結合されうる、センサー出力１３２に変換するように適合される。リング状アレイ１３０は、音響センサー１３１が受け取った音波１３３の音響信号を増強し、コヒーレント加算を使用することによって音響センサー１３１による望ましくないノイズの音響信号を低減するように構成されうる。リング状アレイ１３０の構成およびセンサー出力１３２のコヒーレント加算の使用については、図３と併せてさらに詳しく以下で説明する。マイクロコントローラ１４０は、Ａ／Ｄコンバータ１４１を介してセンサー出力１３２を受け取り、デジタル信号化するように配置構成され、また、１つまたは複数の所望の波長に対してガス試料の吸収振幅を決定するために必要なデジタル信号処理を実行するように配置構成されうる。それに加えて、マイクロコントローラ１４０は、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０に変調信号１１５を送るように構成され、変調信号１１５は、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０がそれぞれの波長成分に対して固有のパターンで１つまたは複数の入射波長成分の振幅の２値変調を実行するように構成された固有の無相関の決定論的信号であってよい。一実施形態では、マイクロコントローラ１４０は、シリアルもしくはパラレルデジタルインターフェースを介してＭＥＭＳベースの光スイッチ１２０とインターフェースするように構成される。

光音響的に生成される音波１３３は、資料領域１３５内のガス試料によって吸収される波長成分１２６の変調周波数の関数として発生する。一般的に、超音波範囲に存在する、つまり、約２０ｋＨｚ超の可聴音周波数の周囲雑音はほとんどないので、いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０に印加される変調信号１１５の周波数は、超音波範囲内にあるように選択される。このようにして、音波１３３によって生成される音響信号は、より低い周波数変調信号１１５によって生成される音波１３３の信号対雑音比と比較してより好ましい信号対雑音比を有することができる。いくつかの例では、ＭＥＭＳ反射鏡は、ｋＨｚ範囲内で動作することができる、つまり、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０内の個別のＭＥＭＳ反射鏡が２値「オン」から２値「オフ」位置に（またその逆に）切り替わる頻度は、数千分の１秒未満であるとしてよい。そこで、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０は、必要に応じて超音波範囲内で波長成分１２６を変調するために使用できる。

図２Ａは、本開示の１つまたは複数の実施形態により配置構成された、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０の一構成の概略図である。図示されているように、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０は、広帯域光源１１０（図１に示されている）から広帯域光１１１を受けるように構成され、光出力１１２を試料領域１３５（図１に示されている）に導くように適合されている。ＭＥＭＳベースの光変調器１２０は、分散素子１２１、ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２、およびコリメーティング素子１２３によって代表される１つまたは複数の光学コンポーネントを備えることができる。ＭＥＭＳベースの光変調器１２０の動作を円滑にすることができる追加の光学コンポーネントは、コリメーティング光学素子、集束レンズ、鏡、光学フィルター、ピンホール、偏光素子、遮断素子などのうちの１つまたは複数を備えることができるが、分かりやすくするため図示されていない。

分散素子１２１は、回折格子、プリズム、アレイ導波路回折格子などの、広帯域光１１１を１つまたは複数の波長成分１２６に分離するための当技術分野で知られている光回折光学デバイスであるものとしてよい。ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２は、複数のＭＥＭＳマイクロミラーのアレイであってよく、これは数十、数百、さらには数千ものマイクロミラーを備えることができる。それぞれのマイクロミラーは、２つの光路のうちの一方にそって、入射光、つまり、波長成分１２６のうちの１つを導くように構成されうる。２値「オン」状態で入射波長成分１２６を変調するように指令された場合、マイクロミラーは、入射波長成分１２６をコリメーティング素子１２３に導く。２値「オフ」状態で入射波長成分１２６を変調するように指令された場合、マイクロミラーは、入射波長成分１２６を光ダンプまたは他の光吸収デバイスに導く。ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２のそれぞれのマイクロミラーを、マイクロコントローラ１４０によって独立して制御することができ、したがって、ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２を、波長成分１２６などの複数の入射光線の光強度を独立して変調するように構成することができる。コリメーティング素子１２３は、入射光をコリメートして光出力１１２を生成するように位置決めされた、レンズおよび／または鏡などの１つまたは複数の固定された光学素子を備えることができ、光出力１１２は、コリメートされた波長変調光線とすることができる。

図２Ｂは、本開示の１つまたは複数の実施形態により配置構成された、ＭＥＭＳベースの光変調器１２９の別構成の概略図である。図示されているように、ＭＥＭＳベースの光変調器１２９は、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０と実質的に類似しているが、前者は第１のＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２Ａおよび第２のＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２Ｂを備える点が異なる。このような一実施形態では、第１のＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２Ａおよび第２のＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２Ｂは、それぞれ、マイクロプロセッサ１４０（図１に示されている）から同じ変調信号１１５を受信することができる。ＭＥＭＳベースの光変調器１２９は、それぞれの波長成分１２６の光強度が第１のＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２Ａによる２値変調および第２のＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２Ｂによる同一の２値変調を受ける可能性があるように構成される。このようにして、ＭＥＭＳベースの光変調器１２９の二重ＭＥＭＳ反射鏡構成は、より深い変調振幅をもたらす、つまり、２値「オン」および「オフ」状態の間の光のコントラストがそれぞれの波長成分１２６について増強される。

図２Ｃは、本明細書で説明されている少なくともいくつかの実施形態により、広帯域光源の代わりに１つまたは複数の狭帯域光源１９５を有するＭＥＭＳベースの光変調器１９０の一構成の概略図である。狭帯域光源１９５は、１つまたは複数の固定および／またはチューナブルレーザー、ダイオード、フィルター処理されたＬＥＤ、または他の狭帯域光源とすることができる。狭帯域光１９６は、１つまたは複数の離散光帯域にすでに分割されているため、ＭＥＭＳベースの光変調器１９０を適切に動作させるために分散素子１２１を必要としない。狭帯域光１９６は、以下で説明されているように波長成分１２６がＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２によって変調されるのと同じ方法でＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２によって変調されうる。ＭＥＭＳベースの光変調器１９０では、狭帯域光１９６は、ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２に入射する前に光学的に結合されうる。

図２Ｄは、本明細書で説明されている少なくともいくつかの実施形態による、広帯域光源、分散素子１２１、およびＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２の代わりに変調狭帯域光源のアレイ１９７を有する変調狭帯域光源１９１の一構成の概略図である。アレイ１９７を構成する狭帯域光源は、１つまたは複数のチューナブルレーザー、ダイオード、フィルター処理されたＬＥＤ、またはｋＨｚ以上の範囲内の周波数で以下で説明されているように変調できる他の狭帯域光源を備えることができる。例えば、レーザーダイオードは、ダイオードに供給される電力を変調することによって変調するように構成することができ、ＬＥＤは、ＬＥＤの中を流れる電流を変調することによって変調するように構成することができる、などである。変調された狭帯域光源１９１の動作は、以下で説明されている、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０の動作と実質的に類似しているが、個別の周波数成分は直接変調され、したがって変調のためＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２を必要としない点が異なる。

動作時に、ＭＥＭＳベースの光変調器１２０は、広帯域光１１１を受けて、図示されているようにＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２へ導かれる、波長成分１２６に分割するように適合される。ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２は、波長成分１２６を受け、１つまたは複数の所望の波長成分を、マイクロコントローラ１４０からそこに導かれた変調信号１１５に基づき選択的に変調する。波長成分１２６は、波長成分１２６のそれぞれがＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２の異なる部分へ導かれるように分散素子１２１によって互いに空間的に分離される。ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２内の個別の反射鏡のそれぞれは、互いに独立して操作可能であるため、波長成分１２６のそれぞれは、互いに独立して変調されうる。ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２によって変調される特定の波長成分は、すべての化合物において吸収スペクトルが異なるため、光音響ガスセンサー１００が特定のどのような化合物を検出するように構成されているかによって決まる。したがって、光音響ガスセンサー１００が比較的少数の種類のガスおよび／または化合物を監視するように構成されている場合、ガスおよび化合物の濃度を定量化するために、少数の波長成分の光吸収が必要になることがある。逆に、光音響ガスセンサー１００が、多数の種類のガスおよび／または化合物を監視するように構成されている場合、決定すべきガスの吸収スペクトルの数もしかるべく増える。次いで、いずれの場合も、変調波長成分１２７は、コリメートされ、コリメーティング素子１２３によって試料領域１３５へ導かれうる。

いくつかの実施形態では、変調信号１１５は、従来の光音響センサーと実質的に類似する方法で１つまたは複数の所望の波長成分の変調を行うように選択されうる、つまり、単一の波長成分に対する「チョッピングされた」光線が生成され、ガス試料に通されて、光音響効果を介して音響信号を発生することができる。このような実施形態では、光音響ガスセンサー１００による吸収について光音響的にテストされる光のそれぞれの波長を個別に測定することができる。１つまたは複数のチューナブルレーザーに依存するいくつかの光音響センサーとは異なり、光音響ガスセンサー１００は、「波長アジリティ」を有し、ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２とともに分散素子１２１を使用することによってそれぞれの所望の波長の光を個別に発生し、変調することができる。特に、分散素子１２１は広帯域光１１１を構成する波長成分を空間的に分離するように構成され、ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２は、注目する特定の波長成分をＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２へ導き、他のすべての波長成分を光ダンプまたは他の光吸収デバイスへ導くように適合されうる。次いで、注目する波長成分で構成されるチョッピングされた光線をガス試料中に通し、音響センサー１３１で音波１３３を測定することによって注目する特定の波長成分に対するガス試料の光吸収を決定することができる。このようなアプローチの目立った利点は、チューナブルレーザーの代わりに、複雑度のかなり低い光源、つまり、広帯域可視光、ＩＲ、またはＵＶの光源を使用することができるという点である。

いくつかの実施形態では、変調信号１１５は、マイクロコントローラ１４０側で複数の化合物の吸収スペクトルを同時に決定することを可能にする形で１つまたは複数の所望の波長成分の振幅を変調するように選択されうる。このような実施形態では、ガス試料によって生成される光音響信号は、監視されているガスまたは化合物によって吸収される光のそれぞれの波長に対して固有の無相関の決定論的変調信号を使用して生成されうる。したがって、変調信号１１５は、複数の無相関の決定論的変調信号から構成されうるものであり、注目するそれぞれの波長成分１２６に１つの信号が対応し、アプローチは従来技術の光音響センサーで光を変調するための知られている技術と著しく異なり、例えば、単純な光パルス、単純な２値オン／オフの連鎖、または光源振幅の正弦波変調が挙げられる。

それぞれの無相関の決定論的変調信号は、ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２の適切な１つまたは複数の鏡に印加され、これにより、広帯域光１１１の対応する波長成分が変調される。そこで、図１および図２Ａを参照すると、変調された波長成分１２７が試料領域１３５へ導かれて音波１３３を発生する場合、マイクロコントローラ１４０は、音響センサー１３１を介して音響信号を受信し、その音響信号をＡ／Ｄコンバータ１４１を介してデジタル信号化することができる。次いで、マイクロコントローラ１４０は、無相関の変調信号に基づき相関分析を使用することによって監視されているガスに対する吸収スペクトルを抽出することができ、ガス試料によるそれぞれの波長成分の光吸収は、音響信号から個別に決定される。言い換えると、ガス試料によって吸収されるそれぞれの変調された波長成分１２７について、相関分析を使用して、それぞれの光波長に印加される入力変調信号と出力（音波１３３）との相関を求めることができ、相関の振幅（または大きさ）は、音波１３３を発生したそれぞれの変調された波長成分１２７の吸収の量を示す。いくつかの実施形態では、高速アダマール変換（ＦＨＴ）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、および同様の変換をデジタル信号化された音響信号に適用し、そのような相関分析を実行することができる。このような実施形態では、マイクロコントローラ１４０は、変調信号１１５を相関分析のための基底関数として使用することができ、したがって、ＦＨＴ、ＦＦＴなどの異なる出力は注目するそれぞれの波長におけるシステムのインパルス応答であり、この場合「システム」は、光音響ガスセンサー１００として定義される。そこで、それぞれのＦＨＴ（またはＦＦＴまたは他の分析法）の相関振幅は、ガス試料によって吸収される注目する波長における光の量を示す。マイクロコントローラ１４０は、ＦＨＴ（またはＦＦＴまたは他の分析法）をデジタル信号化された音響信号に適用して特定の変調信号１１５によって変調される光の波長でのインパルス応答を生成することによってＭＥＭＳベースの光変調器１２０に印加されるそれぞれの変調信号１１５についてそのような相関分析を実行する。このような一実施形態では、相関分析法（ＦＨＴ、ＦＦＴなど）では、特定の変調信号１１５をその基底関数として使用する。その結果得られるインパルス応答のそれぞれは、マイクロプロセッサ１４０側で監視対象のガスに対して所望の吸収スペクトルを形成するために使用できる特定の波長の光における試料ガスの光吸収係数に比例する。比例定数が、使用される特定のセンサーおよび光源に少なくとも一部は依存し、常に容易に決定されるわけではないことから、インパルス応答の絶対値ではなく、インパルス応答の相対ピーク振幅が、吸収スペクトルを決定するうえで最も適している可能性のあることに留意されたい。

いくつかの実施形態では、注目する波長成分１２６に適用され、相関分析の基底関数として使用される固有の決定論的な無相関変調信号１１５は、疑似ランダム２進数系列（ＰＲＢＳ）に基づくものとしてよい。ＰＲＢＳ系列の異なるメンバーが実質的に無相関であるため、それぞれの波長に適用されるそれぞれの決定論的な無相関変調信号１１５の選択は、ＰＲＢＳの使用によって簡略化されうる。一実施形態では、波長成分１２６に適用される変調信号１１５のそれぞれに使用される特定のＰＲＢＳは、最長系列（ＭＬＳ）とすることができる。そのような実施形態に対するＭＬＳベースの信号の有利な特徴は、ＭＬＳベースの信号が直交性の特性を有するという点にある、つまり、ＭＬＳベースの信号の自己相関は完全に近い単位インパルスであるが、ＭＬＳベースの信号の相互相関はゼロである。そのため、ＭＬＳ変調されたセンサー信号、つまり、センサー出力１３２の相関は、刺激信号への測定システムのインパルス応答である。特に、ＭＬＳ変調された変調信号１１５の直交性により、基底関数として変調信号１１５のうちの１つを使用する、インパルス応答、つまり、単一のＦＨＴ、ＦＦＴなどの出力が、変調された特定の光波長におけるシステム応答の尺度として決まる。インパルス応答系の全エネルギーを表す、そのインパルス応答の振幅は、その特定の波長の吸収された光の量に比例する。これにより、注目するそれぞれの波長における吸収された光の量が得られ、したがって、マイクロプロセッサ１４０は、監視されているガスに対して所望の吸収スペクトルを容易に構成することができる。そこで、ＭＬＳベースの信号を使用して光音響ガスセンサー１００で波長成分１２６を変調することで、マイクロプロセッサ１４０がガス試料によるそれぞれの波長の光吸収を効率よく抽出し、同時に分離することが可能になり、したがって複数の種類のガスの監視が可能になる。例えば、マイクロプロセッサおよび他の電子回路は、変調信号１１５に対して１００ｋＨｚ程度の変調速度が得られるように適合されうるが、このことは、信号長が２^２０である１回の測定を約１０秒（つまり、２^２０／１００ｋＨｚ≒１０秒）で完了することができることを意味し、それぞれの測定により、多数の、例えば、数十、数百、さらには数千もの種類のガスおよび化合物の濃度を定量化される。そのため、光音響ガスセンサー１００は、多数の種類のガスおよび化合物を連続的に監視することができる。

光音響センサーの感度を高めるには、音響ノイズを排除する必要がある。いくつかの光音響センサーは、音響共振器となるようにも構成される封止された音響セルを使用することに依存している。本開示の実施形態は、上で説明されている複数の決定論的な無相関信号および信号処理方法を適用することで、また音響センサーのリング状アレイを使用することで、外部音響ノイズの影響を低減することができる。ＰＲＢＳおよびＭＬＳ信号は、決定論的である、つまり、反復可能であるため、音波１３３に加えられ、センサー出力１３２に組み込まれる外部ノイズは、何らかの方法で複数の測定値系列を同期して平均することによって効果的に取り除くことができる。一実施形態では、測定値信号は、相関分析の前に平均される。別の実施形態では、相関分析をすべての信号に対して実行してから平均することができる。それに加えて、音波１３３に加えられる外部ノイズの量は、本開示の実施形態により複数の音響センサーを構成することによって最小化することができる。

図３は、本開示の１つまたは複数の実施形態による、試料領域の周りに配設された音響センサーの一構成の概略図である。図示されているように、リング状アレイ１３０は、これに装着され試料領域１３５の周りに配設される複数の音響センサー１３１を備えることができる。リング状アレイ１３０の内部容積は、試料ガスを収容することができるが、試料領域１３５は、変調光線１１２などの、変調光線が通過する試料ガスの部分を含むものとして画成されることが重視される。音響センサー１３１は、それぞれの音響センサーが試料領域１３５から実質的に等距離のところに配設されるようにリング状アレイ１３０に装着される（または一体形成される）。それに加えて、音響センサー１３１の出力１３４を電子回路１３６によって直接加えて組み合わせ１つのセンサー出力１３２となるようにする。出力１３４を組み合わせる手段（例えば、電圧出力、電流出力、可変キャパシタンス、可変インダクタンス、および同様のもの）は、使用される特定の音響センサーに依存する。いくつかの実施形態では、音響センサー１３１は、センサー出力１３２を生成するようにアナログ総和回路１３６とともに追加される電圧出力マイクロホンとすることができる。いくつかの代替的実施形態では、それぞれの音響センサー１３１からの出力信号は、別々にデジタル信号化され、次いで、デジタル回路で、またはマイクロコントローラ１４０によって、ビーム形成アルゴリズムを介して組み合わされうる。さらに他の実施形態では、音響センサー１３１は、そのアセンブリ内にＡ／Ｄコンバータを組み込むことも可能であり、その場合、デジタル信号化されたデータはデジタル回路で、またはマイクロコントローラ１４０によってビーム形成アルゴリズムを介して組み合わされる。

いくつかの実施形態では、リング状アレイ１３０は、音響センサー１３１のいくつかの対から構成することができ、センサーのそれぞれの対は試料領域１３５と一列に、またそこから実質的に等距離のところに配設される。そのような一実施形態は、図３に例示されている。他の実施形態では、リング状アレイ１３０は、互いに直接向かい合う対では配設されていない音響センサー１３１から構成される。他の実施形態では、リング状アレイ１３０は、単一の円筒状の音響センサーから構成することができる。一実施形態では、音響センサー１３１がそれぞれ試料領域１３５から実質的に等距離のところにある限り、リング状アレイ１３０の出力は、試料領域１３５の内側の音源について最大化され、別の場所を発生源とする音源、つまり、望ましくない音響ノイズに対しては著しく低減されうる。したがって、変調光線１１２が試料領域１３５に通される場合、光音響信号出力は増大し、音響ノイズの出力は減少しうる（つまり、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比が大きくなる）。光音響信号出力の増大は、音響センサー１３１のそれぞれによって生成される信号のコヒーレント加算によるものである。音響センサー１３１出力信号のコヒーレント加算は、音響センサー１３１のそれぞれが音源から等距離のところにあるため生じ、このことは、試料領域１３５内の音源からの信号は、音響センサー１３１のそれぞれとコヒーレントである、つまり、同相であることを意味する。

Ｎ個のセンサーについて、音響センサー１３１の出力のコヒーレント加算により、試料領域１３５内の位置決めされた音源の出力信号の電力のＮ^２の増大が生じる。したがって、Ｎ＝８の場合、リング状アレイ１３０が音響共振器として構成されていない場合であってもほとんど２０ｄＢのゲインが得られる。このため、本開示の１つまたは複数の実施形態により配置構成されたリング状アレイは、光音響ガスセンサー内の音響ノイズの影響を著しく低減しうる。リング状アレイ１３０の有益な効果は、それぞれが複数の音響センサー１３１を備える複数のリング状アレイ１３０を有する光音響ガスセンサー１００を構成することによってさらに高められる。

図４は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、光音響ガス検出の方法４００を要約した流れ図である。説明を簡単にするため、方法４００は、図１の光音響ガスセンサー１００に実質的に類似する光音響センサーに関して説明されている。しかし、光音響センサーの他の構成でも、方法４００を実行することができる。方法４００は、ブロック４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、および／または４０６によって示されているような１つまたは複数の機能、動作、またはアクションを含むことができる。いくつかの実装では、方法４００に対する例示されているブロックのさまざまな特徴を、所望の結果に基づき、より少ないブロックに組み合わせるか、いくつかの付加的なブロックに分割するか、またはなくすことができる。方法４００に対する処理は、ブロック４０１から始まるものとしてよい。

方法４００に対する処理は、ブロック４０１「光源をアクティブ化する」から始まるものとしてよい。ブロック４０１の後にブロック４０２「光をいくつかの波長成分に分離する」が続くものとしてよい。ブロック４０２の後にブロック４０３「波長成分を変調する」が続くものとしてよい。ブロック４０３の後にブロック４０４「ガス試料への照射を行う」が続くものとしてよい。ブロック４０４の後にブロック４０５「音響信号を検出する」が続くものとしてよい。ブロック４０５の後にブロック４０６「音響信号をコヒーレントに加算する」が続くものとしてよい。ブロック４０６の後にブロック４０７「吸収スペクトルを決定する」が続くものとしてよい。

ブロック４０１「光源をアクティブ化する」において、広帯域光源１１０が、マイクロコントローラ１４０によってアクティブ化され、広帯域光１１１をＭＥＭＳベースの光変調器１２０へ導く。

ブロック４０２「光をいくつかの波長成分に分離する」において、広帯域光１１１を１つまたは複数の構成要素である波長成分１２６に分離することができる。少なくともいくつかの実施形態では、回折格子を使用して、広帯域光源を分離する。

ブロック４０３「波長成分を変調する」において、波長成分１２６のうちの１つまたは複数を２値振幅変調して、変調された波長成分１２７を生成することができる。少なくともいくつかの実施形態では、マイクロコントローラ１４０によって制御される、ＭＥＭＳ反射鏡アレイ１２２を使用して、個別の波長成分１２６の変調を実行することができる。少なくともいくつかの実施形態では、変調される波長成分１２６は、光音響ガスセンサー１００によって監視される１つまたは複数の種類のガスによって吸収される光の周波数と一致するように選択されうる。一実施形態では、変調されるそれぞれの波長成分１２６に対する変調信号１１５は、他の波長成分１２６のそれぞれに印加される変調信号に関して固有のものであってよい。このような一実施形態では、変調信号１１５は、ＭＬＳベースの変調信号などの、ＰＲＢＳベースの変調信号とすることができる。

ブロック４０４「ガス試料への照射を行う」において、試料領域１３５内の音響信号、つまり、音波１３３が光音響効果によって生成されるようにブロック４０３において生成された変調波長成分１２７のうちの１つまたは複数を試料領域内のガス試料に照射することができる。

ブロック４０５「音響信号を検出する」において、音響センサー１３１が試料領域１３５内で生成される音波１３３を検出することができる。

ブロック４０６「音響信号をコヒーレントに加算する」において、音響センサー１３１のリング状アレイ１３０が、電子総和デバイス１３６を使用して音響センサー１３１のそれぞれによって感知された音響信号をコヒーレントに加算することによってセンサー出力１３２を生成することができる。この総和プロセスは、デジタル総和プロセスまたはアナログ総和プロセスとすることができる。

ブロック４０７「吸収スペクトルを決定する」において、総和されたセンサー出力１３２に基づき適切な吸収スペクトルを決定するように、マイクロプロセッサ１４０を適合させることができる。図２Ａ、２Ｂと併せて上で説明されているように、マイクロコントローラ１４０は、総和された信号のデジタル信号化したものを評価し、無相関の変調信号１１５に基づき相関分析を使用することによって監視されているガスに対する吸収スペクトルを抽出する。変調信号１１５がＰＲＢＳベースまたはＭＬＳベースの変調信号である実施形態において、マイクロプロセッサ１４０は（いくつかの例において）、変調信号１１５をＦＨＴに対する基底関数として使用して、ＦＨＴによりセンサー出力１３２をデジタル信号化し、処理することができる。

コンピュータプログラム製品は、上で説明され、図４に例示されている方法４００を実行するための１つまたは複数の実行可能命令セットを含むものとしてよい。このコンピュータプログラム製品は、コンピュータ可読媒体４１０または別の類似の記録可能媒体４１２に記録されうる。

図５は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、試料中の１つまたは複数の種類のガスを検出するように配置構成された例示的なコンピューティングデバイス５００を示すブロック図である。非常に基本的である基本構成５０２において、コンピューティングデバイス５００は、典型的には、１つまたは複数のプロセッサ５０４およびシステムメモリ５０６を備える。メモリバス５０８は、プロセッサ５０４とシステムメモリ５０６との間の通信に使用されうる。

所望の構成に応じて、プロセッサ５０４は、限定はしないが、マイクロプロセッサ（μＰ）、マイクロコントローラ（μＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、またはこれらの任意の組み合わせを含む任意の種類のものとすることができる。プロセッサ５０４は、レベル１キャッシュ５１０およびレベル２キャッシュ５１２などの１つまたは複数のキャッシングレベルのキャッシュ、プロセッサコア５１４、およびレジスタ５１６を備えることができる。例示的なプロセッサコア５１４は、算術論理演算ユニット（ＡＬＵ）、浮動小数点演算ユニット（ＦＰＵ）、デジタル信号処理コア（ＤＳＰコア）、またはこれらの任意の組み合わせを含むことができる。例示的なメモリコントローラ５１８は、プロセッサ５０４と併用することもできるか、またはいくつかの実装では、メモリコントローラ５１８は、プロセッサ５０４の内部パーツとすることもできる。

所望の構成に応じて、システムメモリ５０６は、限定はしないが、揮発性メモリ（ＲＡＭなど）、不揮発性メモリ（ＲＯＭ、フラッシュメモリなど）、またはこれらの任意の組み合わせを含む任意の種類のものとすることができる。システムメモリ５０６には、オペレーティングシステム５２０、１つまたは複数のアプリケーション５２２、およびプログラムデータ５２４を格納することができる。アプリケーション５２２は、図４の方法４００に関して説明されているような機能を実行するように配置構成された光音響ガス検出アルゴリズム５２６を含むものとしてよい。プログラムデータ５２４は、本明細書で説明されているような光音響ガス検出アルゴリズム５２６による操作に使用することができる信号データ５２８を含みうる。いくつかの実施形態では、アプリケーション５２２は、オペレーティングシステム５２０上でプログラムデータ５２４を操作するように配置構成されうる。この説明されている基本構成５０２は、図５において、内側破線内のコンポーネントによって例示されている。

コンピューティングデバイス５００は、付加的な特徴または機能を有し、また基本構成５０２と必要なデバイスおよびインターフェースとの間の通信を円滑にするための付加的なインターフェースを備えることができる。例えば、バス／インターフェースコントローラ５３０は、ストレージインターフェースバス５３４を介して基本構成５０２と１つまたは複数のデータ記憶装置５３２との間の通信を円滑にするために使用できる。データ記憶装置５３２は、取外し式ストレージデバイス５３６、非取外し式ストレージデバイス５３８、またはこれらの組み合わせとすることができる。取外し式ストレージデバイスおよび非取外し式ストレージデバイスの例を２、３挙げると、フレキシブルディスクドライブおよびハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などの磁気ディスクデバイス、コンパクトディスク（ＣＤ）ドライブまたはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）ドライブなどの光ディスクドライブ、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）、およびテープドライブなどがそうである。例示的なコンピュータ記憶媒体としては、コンピュータ可読命令、データ構造体、プログラムモジュール、またはその他のデータなどの情報を格納するための方法または技術で実装される揮発性および不揮発性、取外し式および非取外し式の媒体を挙げることができる。

システムメモリ５０６、取外し式ストレージデバイス５３６、および非取外し式ストレージデバイス５３８は、すべてコンピュータ記憶媒体の実施例である。コンピュータ記憶媒体としては、限定はしないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたはその他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）またはその他の光学式記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置またはその他の磁気記憶装置、または所望の情報を格納するために使用することができ、しかもコンピューティングデバイス５００によってアクセスできるその他の媒体が挙げられる。このような任意のコンピュータ記憶媒体は、コンピューティングデバイス５００の一部であるものとしてよい。

コンピューティングデバイス５００は、バス／インターフェースコントローラ５３０を介してさまざまなインターフェースデバイス（例えば、出力装置５４２、周辺インターフェース５４４、および通信装置５４６）から基本構成５０２への通信を円滑にするためのインターフェースバス５４０を備えることもできる。例示的な出力装置５４２は、グラフィック処理ユニット５４８およびオーディオ処理ユニット５５０を備え、これらは、１つまたは複数のＡ／Ｖポート５５２を介してディスプレイまたはスピーカーなどのさまざまな外部デバイスと通信するように構成されうる。例示的な周辺インターフェース５４４は、シリアルインターフェースコントローラ５５４またはパラレルインターフェースコントローラ５５６を備え、これらは、１つまたは複数のＩ／Ｏポート５５８を介して入力装置（例えば、キーボード、マウス、ペン、音声入力装置、タッチ入力装置など）または他の周辺装置（例えば、プリンタ、スキャナなど）などの外部装置と通信するように構成されうる。例示的な通信装置５４６は、ネットワークコントローラ５６０を備え、これは、１つまたは複数の通信ポート５６４を介してネットワーク通信リンク上で１つまたは複数の他のコンピューティングデバイス５６２との通信を円滑にするように構成されうる。

ネットワーク通信リンクは、通信媒体の一例であるものとしてよい。通信媒体は、典型的には、コンピュータ可読命令、データ構造体、プログラムモジュール、または搬送波もしくは他のトランスポートメカニズムなどの変調データ信号による他のデータによって具現化されうるものであり、任意の情報配信媒体を含むことができる。「変調データ信号」は、信号内の情報を符号化する方法によりその特性のうち１つまたは複数が設定または変更された信号であるものとすることができる。例えば、限定はしないが、通信媒体としては、有線ネットワークまたは直接配線接続などの有線媒体、および、音響、高周波（ＲＦ）、マイクロ波、赤外線（ＩＲ）、およびその他のワイヤレス媒体などのワイヤレス媒体が挙げられる。本明細書で使用されているコンピュータ可読媒体という用語は、記憶媒体と通信媒体の両方を含むことができる。

コンピューティングデバイス５００は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、パーソナルメディアプレーヤーデバイス、ワイヤレスウェブウォッチデバイス、パーソナルヘッドセットデバイス、特定用途向けデバイス、または上記機能のいずれかを含むハイブリッドデバイスなどのスモールフォームファクタポータブル（またはモバイル）電子デバイスの一部として実装できる。コンピューティングデバイス５００は、ラップトップコンピュータおよび非ラップトップコンピュータの両方の構成を含むパーソナルコンピュータとして実装することもできる。

要するに、本開示の１つまたは複数の実施形態は、自由空気動作（free-air operation）が可能であり、高い感度を有する携帯型自給式光音響センサーを実現することができるということである。携帯性は、ＭＥＭＳ光学系およびオンボードマイクロコンピュータの採用で小型化し、典型的な光音響システムに見られるガスのサンプリングおよび配管を不要にすることで容易に実現されうる。それに加えて、本開示の１つまたは複数の実施形態により配置構成される光音響センサーは、多くの種類のガスが監視されているときであっても従来の光音響検出器と同等のデータ収集速度を達成しつつ、１００万分の１（ＰＰＭ）、さらにはＰＰＢレベルの感度を有することができる。さらに、ＭＥＭＳ反射鏡ベースの光変調器の「波長アジリティ」特性により、本開示の１つまたは複数の実施形態により配置構成される光音響センサーは、ハードウェアに変更を加えることなく異なる種類のガスおよび化合物を監視するように容易に再プログラムすることも可能である。そのため、本開示の１つまたは複数の実施形態によって配置構成される光音響センサーは、既存の小型近赤外線および光学ＭＥＭＳ分光計の携帯性および感度、従来の光音響検出器の感度および速度、ならびに自由空気動作の利便性を備える。

それに加えて、本明細書で説明されているような光音響センサーは、固体および／または液体の表面の光吸収を測定するように適合されうる。このような実施形態では、ＭＥＭＳベースの光変調器からの波長変調出力を２本の光線に分割することが可能であり、それらの光線の一方が固体または液体の表面に向けられる。センサーの第２のセットは、固体／液体表面から再放射される音響信号を測定する。空気センサー出力と固体／液体センサー出力との比較により、固体／液体の吸収が固体／液体の直前の空気から分離される。

システムの側面でのハードウェアの実装形態とソフトウェアの実装形態との間には、ほとんど相違が残されていない。ハードウェアまたはソフトウェアの使用は、一般に（いつもそうではないが、ある状況ではハードウェアとソフトウェアの間の選択が重要になりうるという点で）コスト対効果のトレードオフを表す設計上の選択である。本明細書に記載された、プロセスおよび／またはシステムおよび／または他の技術をもたらすことができるさまざまな達成手段があり（例えば、ハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェア）、好ましい達成手段は、プロセスおよび／またはシステムおよび／または他の技術が導入される状況によって異なる。例えば、実装者が速度と正確性が最も重要であると決定すると、実装者は主にハードウェアおよび／またはファームウェアの達成手段を選択することができる。フレキシビリティが最も重要なら、実装者は主にソフトウェアの実装形態を選択することができる。または、さらに別の代替案として、実装者は、ハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェアの何らかの組み合わせを選択することができる。

前述の詳細な説明では、ブロック図、フローチャート、および／または例の使用によって、装置および／またはプロセスのさまざまな実施形態を説明してきた。そのようなブロック図、フローチャート、および／または例が１つまたは複数の機能および／または動作を含む限りにおいて、そのようなブロック図、フローチャート、または例の中のそれぞれの機能および／または動作は、広範囲のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または実質上それらのすべての組み合わせにより、個別におよび／または集合的に実装可能であることが、当業者には理解されるであろう。ある実施形態では、本明細書に記載された主題のいくつかの部分は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、または他の集積化方式によって実装することができる。しかし、本明細書で開示された実施形態のいくつかの態様が、全体においてまたは一部において、１つまたは複数のコンピュータ上で動作する１つまたは複数のコンピュータプログラムとして（例えば、１つまたは複数のコンピュータシステム上で動作する１つまたは複数のプログラムとして）、１つまたは複数のプロセッサ上で動作する１つまたは複数のプログラムとして（例えば、１つまたは複数のマイクロプロセッサ上で動作する１つまたは複数のプログラムとして）、ファームウェアとして、あるいは実質上それらの任意の組み合わせとして、等価に集積回路に実装することができることを、当業者は認識するであろうし、電気回路の設計ならびに／またはソフトウェアおよび／もしくはファームウェアのコーディングが、本開示に照らして十分当業者の技能の範囲内であることを、当業者は認識するであろう。さらに、本明細書に記載された主題のメカニズムをさまざまな形式のプログラム製品として配布することができることを、当業者は理解するであろうし、本明細書に記載された主題の例示的な実施形態が、実際に配布を実行するために使用される信号伝達媒体の特定のタイプにかかわらず適用されることを、当業者は理解するであろう。信号伝達媒体の例には、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、デジタルテープ、コンピュータメモリ、などの記録可能なタイプの媒体、ならびに、デジタル通信媒体および／またはアナログ通信媒体（例えば、光ファイバケーブル、導波管、有線通信リンク、無線通信リンクなど）の通信タイプの媒体が含まれるが、それらには限定されない。

本明細書で説明したやり方で装置および／またはプロセスを記載し、その後そのように記載された装置および／またはプロセスを、データ処理システムに統合するためにエンジニアリング方式を使用することは、当技術分野で一般的であることを当業者は認識するであろう。すなわち、本明細書に記載された装置および／またはプロセスの少なくとも一部を、妥当な数の実験によってデータ処理システムに統合することができる。通常のデータ処理システムは、一般に、システムユニットハウジング、ビデオディスプレイ装置、揮発性メモリおよび不揮発性メモリなどのメモリ、マイクロプロセッサおよびデジタル信号プロセッサなどのプロセッサ、オペレーティングシステムなどの計算実体、ドライバ、グラフィカルユーザインターフェース、およびアプリケーションプログラムのうちの１つもしくは複数、タッチパッドもしくはスクリーンなどの１つもしくは複数の相互作用装置、ならびに／またはフィードバックループおよびコントロールモータを含むコントロールシステム（例えば、位置検知用および／もしくは速度検知用フィードバック、コンポーネントの移動用および／もしくは数量の調整用コントロールモータ）を含むことを、当業者は理解するであろう。通常のデータ処理システムは、データコンピューティング／通信システムおよび／またはネットワークコンピューティング／通信システムの中に通常見られるコンポーネントなどの、市販の適切なコンポーネントを利用して実装することができる。

本明細書に記載された主題は、さまざまなコンポーネントをしばしば例示しており、これらのコンポーネントは、他のさまざまなコンポーネントに包含されるか、または他のさまざまなコンポーネントに接続される。そのように図示されたアーキテクチャは、単に例示にすぎず、実際には、同じ機能を実現する多くの他のアーキテクチャが実装可能であることが理解されよう。概念的な意味で、同じ機能を実現するコンポーネントの任意の構成は、所望の機能が実現されるように効果的に「関連付け」される。したがって、特定の機能を実現するために組み合わされた、本明細書における任意の２つのコンポーネントは、アーキテクチャまたは中間のコンポーネントにかかわらず、所望の機能が実現されるように、お互いに「関連付け」されていると見ることができる。同様に、そのように関連付けされた任意の２つのコンポーネントは、所望の機能を実現するために、互いに「動作可能に接続」または「動作可能に結合」されていると見なすこともでき、そのように関連付け可能な任意の２つのコンポーネントは、所望の機能を実現するために、互いに「動作可能に結合できる」と見なすこともできる。動作可能に結合できる場合の具体例には、物理的にかみ合わせ可能な、および／もしくは物理的に相互作用するコンポーネント、ならびに／またはワイヤレスに相互作用可能な、および／もしくはワイヤレスに相互作用するコンポーネント、ならびに／または論理的に相互作用する、および／もしくは論理的に相互作用可能なコンポーネントが含まれるが、それらに限定されない。

本明細書における実質的にすべての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。さまざまな単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。

通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（例えば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む発明に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、通常、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、通常、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（例えば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、通常、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。

本明細書ではさまざまな態様および実施形態が開示されているが、他の態様および実施形態も当業者には明らかであろう。本明細書で開示されているさまざまな態様および実施形態は、例示することを目的としており、制限することを意図しておらず、真の範囲および精神は以下の請求項によって示される。

Claims (24)

1. 入力光線を変調し、試料領域に向けられた変調光を生成するように構成された光変調器と、
   前記試料領域の周りに配設され、それぞれが前記試料領域から実質的に等距離のところにある音響センサーのアレイであって、音響センサーのそれぞれが前記試料領域内で検出された音響エネルギーに応じて信号を発生するように適合されている、音響センサーのアレイと、
   前記音響センサーに結合され、前記音響センサーによって生成された前記信号に基づき前記試料領域内に存在する１つまたは複数の種類のガスを検出するように構成されたコントローラとを備える光音響センサー。
2. 音響センサーの前記アレイは、前記試料領域の周りにリング状に配置構成される請求項１に記載の光音響センサー。
3. 前記コントローラは、前記光変調器に結合され、前記入力光線の変調を制御するように適合される請求項１に記載の光音響センサー。
4. 前記光変調器は、前記入力光線をいくつかの波長成分に分離するように構成され、前記波長成分を不均一に変調するように構成された分散素子を備える請求項１に記載の光音響センサー。
5. 前記光変調器は、前記入力光線をいくつかの波長成分に分離するように構成され、前記波長成分を不均一に変調するように構成された格子を備える請求項１に記載の光音響センサー。
6. 前記光変調器は、前記入力光線を変調するように適合されたＭＥＭＳ反射鏡アレイを備える請求項１に記載の光音響センサー。
7. 前記光変調器は、前記入力光線の第１の波長成分を変調するように適合された第１のＭＥＭＳ反射鏡アレイと、前記入力光線の同じ波長成分を変調するように適合された第２のＭＥＭＳ反射鏡アレイとを備える請求項１に記載の光音響センサー。
8. 前記光変調器は、１つまたは複数の狭帯域光源と、前記１つまたは複数の狭帯域光源からの狭帯域光を変調して前記試料領域へ導かれる変調光を生成するためのＭＥＭＳ反射鏡アレイとを備える請求項１に記載の光音響センサー。
9. 前記光変調器は、前記試料領域へ導かれる前記変調光を生成する、変調された狭帯域光源のアレイを備える請求項１に記載の光音響センサー。
10. 試料中の１つまたは複数の種類のガスを検出する方法であって、
    入力光線を変調して変調光を生成することと、
    前記変調光を前記試料を含む領域内に導くことと、
    前記領域の周りに前記領域から実質的に等距離のところに配設されている複数の音響センサーから音響信号を収集することと、
    前記収集された音響信号を評価して前記試料中に存在する１つまたは複数の種類のガスを検出することとを含み、前記音響信号は、前記変調光と前記領域内に配置されている前記１つまたは複数の種類のガスの少なくとも一部との相互作用の結果生じる方法。
11. 前記音響信号をデジタル信号化することをさらに含み、前記試料中で検出される前記１つまたは複数の種類のガスは、前記デジタル信号化された音響信号を評価することによって検出される請求項１０に記載の方法。
12. 前記入力光線を変調することは、
    前記入力光線をいくつかの波長成分に分離することと、
    前記波長成分のそれぞれを不均一に変調して前記変調光を生成することとを含む請求項１０に記載の方法。
13. 前記入力光線を変調することは、検出される前記１つまたは複数の種類のガスの波長吸収スペクトルに従って前記入力光線を変調することを含む請求項１０に記載の方法。
14. 前記入力光線を変調することは、第１の決定論的変調信号を使用して前記入力光線の第１の波長成分を変調することと、第２の決定論的変調信号を使用して前記入力光線の第２の波長成分を変調することとを含み、前記第１の決定論的変調信号および前記第２の決定論的変調信号は、互いに無相関である請求項１０に記載の方法。
15. 変調した後、前記変調光が前記領域に達する前に、前記変調光をコリメートすることをさらに含む請求項１０に記載の方法。
16. 前記変調光の第１の波長成分は、前記領域内へ導かれ、前記変調光の第２の波長成分は、前記領域内へ導かれない請求項１０に記載の方法。
17. 変調すること、導くこと、収集すること、および／または検出することのうちの１つまたは複数は、光音響センサーによって実行される請求項１０に記載の方法。
18. 前記入力光線は、１つまたは複数の狭帯域光源から生成され、ＭＥＭＳ反射鏡アレイにより変調される請求項１０に記載の方法。
19. 前記変調光は、変調された狭帯域光源のアレイによって生成される請求項１０に記載の方法。
20. 光音響センサーであって、前記光音響センサーの試料領域内に配置されている試料から１つまたは複数の種類のガスを検出するように適合されており、
    入力光線をいくつかの波長成分に分離するように構成された格子と、
    前記波長成分を変調して、前記試料領域に対する変調光成分を生成するように構成されたＭＥＭＳ反射鏡アレイと、
    前記変調光成分が通過する試料領域の近くに配設され、前記試料領域内で検出された音響信号に応じて電気信号を発生するように適合された音響センサーと、
    前記音響センサーに結合され、前記音響センサーによって生成された前記電気信号に基づき前記試料領域内に存在する前記１つまたは複数の種類のガスの少なくとも一部を検出するように構成されたコントローラとを備える光音響センサー。
21. 前記ＭＥＭＳ反射鏡アレイは第１のＭＥＭＳ反射鏡アレイと第２のＭＥＭＳ反射鏡アレイとを備え、前記第１のＭＥＭＳ反射鏡アレイは、前記波長成分の第１の一組を変調するように構成され、前記第２のＭＥＭＳ反射鏡アレイは、前記波長成分の第２の一組を変調するように構成される請求項２０に記載の光音響センサー。
22. 前記コントローラは、固有の無相関の決定論的変調信号を前記ＭＥＭＳ反射鏡アレイに送り、前記波長成分のそれぞれを変調するように適合され、前記コントローラは、デジタル信号化された、前記音響センサーによって生成された前記信号を処理することによってガスを検出するように構成される請求項２０に記載の光音響センサー。
23. 前記固有の変調信号は最長系列ベースの変調信号を含む請求項２０に記載の光音響センサー。
24. 前記入力光線は、広帯域可視光源、ＩＲ光源、およびＵＶ光源のうちの１つから生成される請求項２０に記載の光音響センサー。

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